CN102806105B

CN102806105B - 一种负载型金钯催化剂及其制备和应用

Info

Publication number: CN102806105B
Application number: CN201110144701.9A
Authority: CN
Inventors: 张磊磊; 王爱琴; 张涛
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102806105A

Abstract

一种用于水溶液中氯代苯偶联的负载型金钯催化剂，活性组分为Au、Pd，载体为离子交换树脂。其中活性组分含量为0.1-5wt％，金钯形成了合金，粒径为1-6纳米，其相对摩尔比例为Au/Pd＝1/6-6/1。制备过程：将球磨、过筛后的树脂与金属前驱体进行离子交换，然后将负载的金属前驱体还原。该催化剂用于水溶液中Ullmann Reaction和Suzuki Cross-coupling，具有优良的催化性能。该催化剂制备简单，具有较高的催化活性和稳定性。

Description

一种负载型金钯催化剂及其制备和应用

技术领域

本发明涉及一种负载型金钯催化剂及其制备方法和在水溶液中氯代苯偶联反应中的应用。

背景技术

金一直被认为是催化惰性金属。自从1987年Haruta发现氧化物负载的高分散的纳米金可以高效催化CO低温氧化以来，拓展纳米金的催化性能逐渐成为催化领域的一个研究热点。纳米金催化剂在一些液相有机反应如醇氧化、胺氧化、不饱和烃亲核加成以及C-C偶联反应中表现出了优良的催化活性和选择性。

Suzuki Cross-coupling是重要的芳烃C-C偶联反应，其产物联苯及其衍生物在生物碱、手性配体、农药医药、有机导体和半导体方面有重要应用。传统的反应过程存在诸多问题：1、使用有机溶剂并使用大量含磷配体，反应条件较为苛刻；2、使用均相钯催化剂。催化剂难以回收和重复使用，并对产物有一定的污染；3.价格低廉的氯苯反应性能较差，仅有少数催化剂能实现氯代苯的偶联。随着人们对环境和能源问题的日益重视，开发一种能在环境友好溶剂(例如水)中、温和条件下实现氯代苯偶联的新型催化剂成为芳烃C-C偶联反应的迫切需求。

许多专利和文献介绍了催化卤代苯偶联的负载型金和钯催化剂，随载体和制备方法各异，其活性也不尽相同。

文献1(NIPPON CHEM IND CO LTD，JP2010235942-A)介绍了一种表面具有氟烷基团的高分子低聚物负载的钯催化剂。其制备方法是首先在溶液中将钯前驱体还原，然后加入载体将钯纳米颗粒负载，钯纳米颗粒的粒径为10-100纳米。该方法的缺点是含氟低聚物载体的制备比较繁琐。

文献2(Kazu Okumura，WO2010098310-A1)和文献3(KazuOkumura，Journal of Catalysis，273，2010，156-166)介绍了一种超高稳定性分子筛USY负载钯催化剂的制备方法。载体USY的制备是将Na-Y分子筛与硝酸铵离子交换得到的NH₄-Y在400-800℃下进行水蒸气高温处理1-10h。USY与硝酸铵反应得到NH₄-USY，于300℃下加热除去部分氨后与Pd(NH₃)₄Cl₂进行离子交换，再经洗涤、干燥制得催化剂。该催化剂对溴代苯Suzuki Cross-coupling具有很高的活性，TOF可达1.3×10⁷，缺点是使用有毒的二甲苯和N，N-二甲基甲酰胺作为溶剂。

文献4(CHEN X，CN101433840-A)介绍了一种碳纳米管负载的钯催化剂。多壁碳纳米管作为载体，将其和十二烷基硫酸钠一同加入乙二醇中，超声使其均匀分散。然后往体系中加入氯化钯，在110-140℃下反应3h得到碳纳米管负载钯催化剂，钯纳米颗粒粒径为2.5纳米。

文献5(Rong Guo.J.AM.CHEM.SOC.，2009，131，2060-2061)介绍了一种聚邻氨基苯硫酚负载金催化剂的制备方法。催化剂制备是将邻氨基苯硫酚的盐酸溶液和一定浓度的氯金酸溶液混合，两者发生氧化还原反应，邻氨基苯硫酚在聚合的过程中将金纳米颗粒负载，金纳米颗粒的粒径为1纳米。催化剂对水溶液中氯代苯SuzukiCross-coupling具有较高的活性，缺点是载体中的巯基对金纳米颗粒有一定的毒化作用，而且反应活性组分存在一定的流失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的负载型金钯催化剂，该催化剂对水溶液中氯代苯偶联具有较高的活性，催化剂中金钯组分具有一定的比例，金钯纳米颗粒粒径较小且分散均匀。

本发明的又一目的在于提供一种制备新型负载型金钯催化剂的方法，该方法环境友好，操作简便。

为实现上述目的，本发明提供的新型负载型金钯催化剂的活性组分为Au、Pd，载体为离子交换树脂。其中活性组分的含量为0.1-5wt％，金钯相对摩尔比例为Au/Pd＝1/6-6/1，金钯纳米颗粒粒径为1-6纳米。

本发明提供的一种新型负载型金钯催化剂的制备方法，其具体步骤为：

1)将干燥后的树脂球磨、过筛。球磨速度为50-500r/h，球磨时间为1-6小时；筛孔为20-200目；

2)将树脂依次用酸、碱水溶液在10-100℃下分别洗涤1-10小时；

3)将树脂与金属前驱体进行离子交换，树脂与Au、Pd的质量比为1000-10，摩尔比例为Au/Pd＝1/6-6/1；交换时间为10-100分钟，交换温度为10-100℃；得负载的金属前驱体；

4)采用还原剂将负载的金属前驱体还原，所述还原剂为氢气、胺硼烷、硼氢化钠、维生素C中的一种；金属前驱物的还原在水溶液中进行，水溶液中还原剂胺硼烷、硼氢化钠或维生素C的浓度为1-0.01mol/L，通入水溶液中的氢气流速为5-100mL/min，还原温度为0-60℃，还原时间为10-100分钟；

5)将催化剂干燥，干燥温度为25-100℃，干燥时间为1-20小时。

所述树脂为阴离子交换树脂，其阴离子为碳酸根、氢氧根、氯离子中的一种；

所述酸为盐酸、硝酸、硫酸中的一种，所述酸的质量浓度为1-10％，酸溶液与树脂的体积比为10/1-1/1；所述碱为氢氧化钠、碳酸钾、乙酸钾中的一种，所述碱的质量浓度为1-10％，碱溶液与树脂的体积比为10/1-1/1；

所述金属前驱体为Au、Pd硝酸盐、氯化物中的一种；

步骤3采用一次或二次以上交换法，并采用不同的三价金、二价钯交换顺序，金属前驱体浓度均为10^-2-10^-4mol/L。

对本发明提供的催化剂的活性其测试方法如下：

Ullmann Reaction：反应器为接有冷凝管的圆底烧瓶，将一定量的氯代苯、权利要求1所述金钯催化剂、内标和碱加入去离子水-乙醇混合溶剂中，水和乙醇体积比为1/10-10/1，在60-100℃下搅拌2-6h；催化剂与氯代苯摩尔比例为0.01-1％，碱与氯代苯的摩尔比例为2-5。反应体系冷至室温后，加入乙酸乙酯萃取，合并有机相，用无水硫酸钠干燥后进行GC分析。

Suzuki Cross-coupling：反应器为接有冷凝管的圆底烧瓶，将一定量的氯代苯、苯硼酸、权利要求1所述金钯催化剂、内标和碱加入去离子水-乙醇混合溶剂中，水和乙醇体积比为1/10-10/1，，在惰性气体保护下60-100℃搅拌2-6h。催化剂与氯代苯摩尔比例为0.01-1％，苯硼酸与氯代苯的摩尔比例为1-2，碱与氯代苯的摩尔比例为2-5。反应体系冷至室温后，加入乙醚萃取，合并有机相，用无水硫酸钠干燥后进行GC分析。

联苯收率达到90％以上，且催化剂可多次重复使用。

该催化剂用于水溶液中Ullmann Reaction和SuzukiCross-coupling，具有优良的催化性能。该催化剂制备简单，具有较高的催化活性和稳定性。

本发明具有如下效果：

1.以商业化的离子交换树脂为载体，在不加任何保护剂的情况下，实现金钯纳米颗粒在树脂上均匀分散，其粒径为1-6纳米；

2.采用共还原法使金钯形成合金结构而不是核-壳结构或团簇-团簇结构；

3.使用该方法制备的金钯催化剂，金钯之间存在较强的协同作用，催化活性高于单金属催化剂，而且随催化剂中金钯比例不同活性也不相同；

4.使用该方法制备的金钯催化剂，对水溶液中氯代苯偶联具有较高的催化活性并具有优良的循环使用性能。

具体实施方式

实施例1：

取一定量的717树脂于室温下自然干燥，称取5g干燥后的树脂于行星式球磨机中球磨，转速为200r/h，球磨时间为3h。将球磨后的树脂过筛，取100-200目之间的颗粒备用。将过筛后的树脂依次用质量浓度4％NaOH、质量浓度5％HCl、1mol/L Na₂CO₃洗涤6h，每次洗涤之后均用去离子水洗至中性。最后用无水乙醇洗涤之后于60℃下真空干燥。称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.68mL9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.29mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下搅拌1h。抽滤后将滤饼分散于300mL超纯水中，重新加入0.68mL9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.29mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，继续搅拌1h。抽滤，用500mL超纯水洗涤。将滤饼分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL 0.065mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝1/1的催化剂，记为1#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为3.0纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例2：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入1.36mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液，室温下搅拌1h。抽滤后将滤饼分散于300mL超纯水中，加入0.58mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，继续搅拌1h。抽滤，用500mL超纯水洗涤。将滤饼分散于30mL超纯水中，搅拌下一次性加入20mL 0.065mol/L硼氢化钠溶液，继续搅拌1.5h。抽滤，依次用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂，60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝1/1的催化剂，记为2#催化剂。

实施例3：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.33mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.57mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.08mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝1/4的催化剂，记为3#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为2.5纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例4：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.40mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.52mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.078mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝1/3的催化剂，记为4#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为2.7纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例5：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.50mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.44mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.074mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝1/2的催化剂，记为5#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为2.8纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例6：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.83mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.18mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.061mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝2/1的催化剂，记为6#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为3.2纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例7：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.89mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.13mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.058mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝3/1的催化剂，记为7#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为3.4纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例8：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.92mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.10mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.056mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝4/1的催化剂，记为8#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为3.9纳米，其粒径较小且分散均匀。

实施例9：称取1g树脂粉末于300mL超纯水中，搅拌下加入0.96mL 9.56mg_Au/mL HAuCl₄溶液和0.07mL 12.00mg_Pd/mL H₂PdCl₄溶液，室温下进行离子交换1h。抽滤后重复离子交换1次。将滤饼用500mL超纯水洗涤后分散于30mL超纯水中，一次性加入20mL0.054mol/L硼氢化钠溶液，反应1.5h后抽滤，用400mL超纯水、20mL无水乙醇洗涤催化剂并于60℃下真空干燥12h。可得负载量为2wt％的Au/Pd＝6/1的催化剂，记为9#催化剂。

通过电镜分析可知Au-Pd纳米颗粒粒径约为4.1纳米，其粒径较小且分散均匀。

应用例1：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入48mg 8#催化剂(0.5mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.20g氢氧化钠，1mL乙醇，5mL水。在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙酸乙酯(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析。联苯收率＞90％。

应用例2：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入48mg 8#催化剂(0.5mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.08g氢氧化钠，0.28g碳酸钠，0.5mL乙醇，5mL水。在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙酸乙酯(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析。联苯收率＞90％。

应用例3：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入15mg 1#催化剂(0.2mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.134g苯硼酸(1.1mmol)，0.12g氢氧化钠，1mL乙醇，7mL水。通Ar(30mL/min，15min)排除体系内的空气后在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙醚(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析，联苯收率为17％。

应用例4：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入17mg 7#催化剂(0.2mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.134g苯硼酸(1.1mmol)，0.12g氢氧化钠，1mL乙醇，7mL水。通Ar(30mL/min，15min)排除体系内的空气后在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙醚(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析，联苯收率为38.4％。

应用例5：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入17.7mg 8#催化剂(0.2mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.134g苯硼酸(1.1mmol)，0.12g氢氧化钠，1mL乙醇，7mL水。通Ar(30mL/min，15min)排除体系内的空气后在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙醚(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析，联苯收率为44.7％。

应用例6：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入18mg 8#催化剂(0.2mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.134g苯硼酸(1.1mmol)，0.12g氢氧化钠，1mL乙醇，7mL水。通Ar(30mL/min，15min)排除体系内的空气后在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙醚(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析，联苯收率为31.6％。

应用例7：在接有冷凝管的圆底烧瓶中，加入48mg 8#催化剂(0.5mol％)，0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.20g氢氧化钠，1mL乙醇，5mL水。在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙酸乙酯(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析。联苯收率＞90％。将催化剂回收，60℃真空干燥12h。将回收的催化剂加入至圆底烧瓶中，加入0.10mL氯苯(1mmol)，0.05mL均三甲苯，0.20g氢氧化钠，1mL乙醇，5mL水。在80℃下搅拌2h。体系冷至室温后，用乙酸乙酯(15mL×3)萃取。合并有机相，无水硫酸钠干燥后进行GC分析。催化剂循环使用5次，联苯的收率＞50％。

Claims

1.一种负载型金钯催化剂，其特征在于：活性组分为Au、Pd，载体为717#阴离子交换树脂，活性组分含量为0.1-5wt%，Au-Pd纳米颗粒为合金结构，粒径为1-6纳米，相对摩尔比例为Au/Pd=1/6-6/1。

2.如权利要求1所述的负载型金钯催化剂，其特征在于：金钯相对摩尔比例为Au/Pd=2/1-5/1。

3.一种权利要求1所述金钯催化剂的制备方法，其制备过程如下：

1）取20-200目的阴离子交换树脂依次用酸、碱溶液洗涤，酸、碱质量浓度均为1-10%，洗涤时间分别为1-10小时；

2）将树脂与Au、Pd金属前驱体水溶液进行离子交换；金属前驱体浓度为1-10^-4mol/L，树脂与Au、Pd的质量比为1000-10，交换温度为10-100℃，交换时间为10-100分钟，摩尔比例为Au/Pd=1/6-6/1；得负载的金属前驱体；

3）采用还原剂将负载的金属前驱体还原，还原温度为0-60℃；

4）将催化剂干燥，干燥温度为25-100℃，干燥时间为1-20小时。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

所述酸为盐酸、硝酸、硫酸中的一种，所述碱为氢氧化钠、碳酸钾、乙酸钾中的一种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

所述Au、Pd金属前驱体分别为Au、Pd硝酸盐或氯化物中的一种；

所述还原剂为氢气、氨硼烷、硼氢化钠、维生素C中的一种；金属前驱物的还原在水溶液中进行，水溶液中还原剂氨硼烷、硼氢化钠或维生素C的浓度为1-0.01mol/L，通入水溶液中的氢气流速为5-100mL/min，还原时间为10-100分钟。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

步骤2）采用一次或二次以上交换法，并采用不同的三价金、二价钯交换顺序，金属前驱体浓度均为10^-2-10^-4mol/L。

7.一种权利要求1所述金钯催化剂的应用，其特征在于：

所述催化剂用于水溶液中氯代苯偶联反应。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：

Ullmann Reaction：将氯代苯、权利要求1所述金钯催化剂和碱加入去离子水-乙醇混合溶剂中，水和乙醇体积比为1/10-10/1，在60-100℃下搅拌2-6h；催化剂与氯代苯摩尔比例为0.01-1%，碱与氯代苯的摩尔比例为2-5；

或Suzuki Cross-coupling：将氯代苯、苯硼酸、权利要求1所述金钯催化剂和碱加入去离子水-乙醇混合溶剂中，水和乙醇体积比为1/10-10/1，在惰性气体保护下60-100℃搅拌2-6h；催化剂与氯代苯摩尔比例为0.01-1%，苯硼酸与氯代苯的摩尔比例为1-2，碱与氯代苯的摩尔比例为2-5。